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1.3.2  基于實(shí)驗(yàn)的止裂韌性判定

在延性斷裂的止裂研究中鹅经，人們一直試圖確定材料的韌性值達(dá)到多大咬腕，可以使管線具有足夠的止裂能力柒拌。美國(guó)BMI(Battelle Memorial Institute）是進(jìn)行天然氣管線止裂問(wèn)題研究最早的機(jī)構(gòu)钻趋，進(jìn)行管線止裂研究的主要機(jī)構(gòu)還有美國(guó)的AISI(American Iron & Steel Institute）和SwRI(Southwest Research Institute),歐洲的EPRG(European Pipeline Research Group)掖猬，英國(guó)的BGC(British Gas CoMPany)呀邢，意大利的CSM(Centrol Sviluppo Materiali)蛇损，日本的JISI(Japan Iron & Steel Institute）和Kawasaki Steel等缤苫。

20世紀(jì)70年代速兔，當(dāng)人們認(rèn)識(shí)到管線上存在延性裂紋的動(dòng)態(tài)擴(kuò)展時(shí)，材料的斷裂理論還不完善活玲。早期工作的主要途徑是通過(guò)模擬加壓管線截取段的辦法進(jìn)行全尺寸實(shí)驗(yàn)涣狗，通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的處理鑒定歸納如何控制延性裂紋擴(kuò)展。這種全尺寸實(shí)驗(yàn)方法成為了一種標(biāo)準(zhǔn)的確定止裂韌性的方法舒憾。

由于全尺寸實(shí)驗(yàn)的費(fèi)用昂貴镀钓、周期長(zhǎng)，難以控制實(shí)驗(yàn)質(zhì)量镀迂，且結(jié)果僅對(duì)應(yīng)于特定的天然氣成分丁溅、管道性能等因素，因此需要對(duì)實(shí)驗(yàn)的特性進(jìn)行定量化以用于動(dòng)態(tài)延性斷裂止裂設(shè)計(jì)探遵，也就是需要小尺寸的韌性實(shí)驗(yàn)窟赏。

三點(diǎn)彎曲沖擊實(shí)驗(yàn)CVN(Charpy V-Notch）是被廣泛采用的測(cè)定鋼材斷裂韌性s的方法。落錘撕裂實(shí)驗(yàn)DWTT(Drop Weight Tear Test）作為修正CVN實(shí)驗(yàn)誤差的替代方法箱季，被用來(lái)測(cè)量裂紋擴(kuò)展時(shí)的有效能量棕健，測(cè)到的能量可用于推斷臨界裂紋尖端張開(kāi)角（CTOA)c寸纠，也可單獨(dú)作為韌性判據(jù)。將實(shí)測(cè)的（CTOA)C同計(jì)算得到的CTOA進(jìn)行比較跨基，可作為評(píng)估壓力管道裂紋擴(kuò)展和止裂的判據(jù)之一吴烹。

對(duì)于PE管道，在比利時(shí)Gent大學(xué)進(jìn)行了改進(jìn)的Robertson實(shí)驗(yàn)肾俯，用擺錘撞擊帶有預(yù)留凹口的較短實(shí)驗(yàn)管道眨攀。為了彌補(bǔ)難以形成穩(wěn)定裂紋擴(kuò)展速度的不足，英國(guó)帝國(guó)理工學(xué)院發(fā)展了S4實(shí)驗(yàn)乡纸，得到了裂紋穩(wěn)定擴(kuò)展的條件扛聂。通過(guò)S4實(shí)驗(yàn)中測(cè)量到的裂紋穩(wěn)態(tài)擴(kuò)展速度和氣體壓力變化，結(jié)合S4實(shí)驗(yàn)?zāi)�擬分析坪秒，可以得到材料斷裂韌性和實(shí)際管道裂紋臨界擴(kuò)展壓力栏付。

關(guān)于止裂韌性臨界值的預(yù)判模型，國(guó)際上應(yīng)用較多的是1975年BMI的Maxey等人建立的雙曲線(Two-Curve）方法煞嫩。該方法假定氣體的解壓與動(dòng)態(tài)裂紋的擴(kuò)展過(guò)程是可以通過(guò)斷裂速度聯(lián)系起來(lái)的兩個(gè)分離過(guò)程组弥，建立了斷裂速度與減壓壓力或環(huán)向應(yīng)力的關(guān)系。由于采用了兩個(gè)獨(dú)立步驟進(jìn)行計(jì)算逗爹，因而也被稱(chēng)作Battelle兩步分析亡嫌。

Bartell。兩步分析基于裂紋擴(kuò)展的減壓波速判據(jù)掘而，提出了行之有效的數(shù)學(xué)解法挟冠，實(shí)現(xiàn)了直接由管道工作參數(shù)推斷出止裂所需的臨界CVN沖擊韌性。后來(lái)又總結(jié)了一系列簡(jiǎn)便的經(jīng)驗(yàn)公式袍睡。在當(dāng)時(shí)的條件下知染，全尺寸爆破實(shí)驗(yàn)中所用的管線鋼CVN沖擊韌性一般不超過(guò)100J,CVN沖擊韌性足以描述不同鋼種的抗斷裂性能，雙曲線模型和經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｊ蕉寂c全尺寸爆破實(shí)驗(yàn)的結(jié)果吻合得很好斑胜。

隨著管線輸送技術(shù)的發(fā)展控淡，高壓力，高韌性鋼管逐漸投入使用止潘。對(duì)于高韌性材料和具有上臺(tái)能（Rising-shelf）的材料逸寓，在引用的圖1-7中，基于標(biāo)準(zhǔn)夏比沖擊韌性的公式在實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證過(guò)程中可靠性不理想覆山。B.N.Leis對(duì)此提出了修正算法竹伸，但仍未很好地解決這個(gè)問(wèn)題，并且失去了原有的物理意義福互。

DWTT最先于1953年被美國(guó)海軍用于根據(jù)斷口形貌確定鐵素體鋼的韌脆轉(zhuǎn)變溫度刹由，近年也用于Battelle雙曲線法確定止裂韌性。有研究表明鹉鉴，對(duì)于高韌性鋼制管道而言妨菩，基于DWTT實(shí)驗(yàn)的止裂預(yù)測(cè)比CVN實(shí)驗(yàn)更接近實(shí)測(cè)值糙枚，但無(wú)法根本上解決高壓高韌性管道止裂韌性預(yù)測(cè)與實(shí)際結(jié)果之間的較大偏差。

1.3.3  管壁上的氣體壓力分布律

天然氣管道所受載荷為內(nèi)部氣體施加在管壁上的壓力厚饱。當(dāng)管道中裂紋起裂和擴(kuò)展時(shí)檐伞，氣體壓力直接作用在破壞了的管壁上，由于管壁呈非線性失穩(wěn)破壞捕如，所以管壁變形計(jì)算是分析開(kāi)裂管道的核心切拳。管壁變形、氣體流動(dòng)和裂紋擴(kuò)展作為緊密相關(guān)的過(guò)程體現(xiàn)在管道破壞中揩池，氣體壓力為管壁變形提供了驅(qū)動(dòng)力孽倒，而管道形狀和裂紋擴(kuò)展又影響著氣體的流動(dòng)。為了分析管道上裂紋擴(kuò)展過(guò)程中的這種耦合作用泪桥，氣體壓力的計(jì)算是很重要的一步救鲤。

1.3.3.1  氣體逸出流場(chǎng)解法的進(jìn)展與困難

早在1989年，美國(guó)西南研究院SwRI(Southwest Research Institute）就研究了針對(duì)壓力管道氣體逸出的流場(chǎng)數(shù)值解法秩冈。從當(dāng)時(shí)的計(jì)算結(jié)果上來(lái)看本缠，顯得還很不成熟。一是當(dāng)時(shí)為了簡(jiǎn)化邊界條件的處理入问，采用磨損變形前管壁的方法模擬管道的開(kāi)裂過(guò)程丹锹，和實(shí)際情況不符；二是計(jì)算考慮裂紋的穩(wěn)態(tài)擴(kuò)展情形队他，即裂紋的速度恒定不變卷仑，如果采用伴隨裂紋運(yùn)動(dòng)的隨體坐標(biāo)系峻村，裂紋發(fā)展充分后麸折，裂尖后部一定距離的氣體壓力分布不隨裂尖到達(dá)的位置而變化，這樣問(wèn)題就可以簡(jiǎn)化為二維粘昨。實(shí)際上還是把三維問(wèn)題轉(zhuǎn)化為不同固壁截面形狀的二維流場(chǎng)垢啼。對(duì)于非穩(wěn)態(tài)裂紋擴(kuò)展，這種簡(jiǎn)化方式無(wú)法得出正確的結(jié)論张肾。

耦合解法的實(shí)現(xiàn)是普遍關(guān)心的問(wèn)題芭析。但管道破裂問(wèn)題的流固耦合有其獨(dú)特的復(fù)雜性。一是形成流場(chǎng)求解的固壁邊界條件的管道壁面發(fā)生難以預(yù)知的劇烈變形悟唆，這要求在每一個(gè)微小的時(shí)間間隔傀掘，對(duì)待求解的流場(chǎng)區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格重新劃分，而變形后的管壁是極不規(guī)則的三維曲面拗辜，使得這一步驟的工作量達(dá)到了難以想象的程度圃星；二是由于管道內(nèi)的氣體壓力極高，達(dá)到10MPa左右烤眉，即約100atm,因而氣體逸出的速度在裂尖附近達(dá)到超聲速丘苗，開(kāi)始起裂到穩(wěn)態(tài)擴(kuò)展的過(guò)程中還可能伴隨有激波的出現(xiàn)项请。因此，自1989年至今梦迂，對(duì)高壓氣體逸出的流場(chǎng)解法還沒(méi)有大的突破肚轴。

為了節(jié)省計(jì)算時(shí)間和滿(mǎn)足工程的應(yīng)用，目前壓力管道內(nèi)氣體壓力分布規(guī)律的探索豫阻，包括Battene雙曲線法所用公式在內(nèi)稠还，主要限于解耦方法，即根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)所確定的管壁壓力分布模擬曲線被采用來(lái)代替氣體動(dòng)力學(xué)的計(jì)算不从。當(dāng)裂紋在管道上擴(kuò)展的過(guò)程中惜姐，裂紋前面的氣體減壓傳播，其數(shù)值低于初始?jí)毫χ祊o椿息，且主要取決于裂紋的擴(kuò)展速度歹袁。具體表達(dá)形式見(jiàn)2.2.2.4節(jié)。

1.3.3.2  自由射流場(chǎng)解法進(jìn)展

與壓力管道上的裂紋擴(kuò)展同時(shí)寝优，氣體從裂紋尖端高速逸出形成復(fù)雜的射流場(chǎng)条舔。本文希望利用目前比較成熟的計(jì)算流體力學(xué)方法，對(duì)管道斷裂的射流流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬乏矾，選擇合適的計(jì)算方法孟抗，分析內(nèi)部流場(chǎng)對(duì)斷裂過(guò)程的影響，以及外流場(chǎng)氣體的逸出速度钻心，以便對(duì)氣體壓力模式進(jìn)行校驗(yàn)和修正凄硼。

當(dāng)流體從窄小通道噴出，不受任何限制地流入靜止流體中時(shí)捷沸，會(huì)在靜止流體中出現(xiàn)一股有界面的流動(dòng)摊沉，即射流。

圖1-8顯示的是亞聲速自由射流的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)痒给。通過(guò)觀察和實(shí)驗(yàn)證實(shí)用六，在亞聲速自由射流中，流場(chǎng)內(nèi)存在速度保持出口速度的區(qū)域红狗，被稱(chēng)為射流核心區(qū)烂锤。射流與周?chē)�靜止流體之間存在物理量不連續(xù)的切向間斷面，間斷面處有強(qiáng)烈摻混的旋渦微團(tuán)暂呈，從而引起射流與周?chē)�流體間的動(dòng)量交換架暗、熱量交換及質(zhì)量交換。由于粘性作用原來(lái)靜止的流體會(huì)被射流卷吸到射流中辜辰，這種現(xiàn)象稱(chēng)為射流的卷吸作用约粒。同一截面上中心線處的流速最大，離中心線越遠(yuǎn)處的流速越小。隨著射流向下游流動(dòng)奈兢，其中心線處的流速逐漸減小喻秩。隨著往下游遷移，射流的寬度逐漸增大啼插，這種現(xiàn)象稱(chēng)為射流的擴(kuò)散現(xiàn)象娃肃。

亞聲速自由射流在形成穩(wěn)定的流動(dòng)形態(tài)后，整個(gè)射流可劃分為幾個(gè)區(qū)段：由噴口邊界起向內(nèi)外擴(kuò)展的紊動(dòng)摻混部分為紊動(dòng)剪切層混合區(qū)粱锐；中心部分未受摻混影響疙挺，保持原來(lái)出口流速，稱(chēng)為核心區(qū)怜浅，出口至核心區(qū)末端的一段稱(chēng)為射流的起始段铐然。紊動(dòng)充分發(fā)展以后的部分稱(chēng)為射流的主體段。主體段與起始段之間的區(qū)域稱(chēng)為過(guò)渡段恶座。

對(duì)于圖1-9所示的欠膨脹超聲速自由射流搀暑，當(dāng)射擊流從出口射入靜止大氣中的時(shí)候，由于出口截面上的射流的靜壓p₁大于環(huán)境壓力p_a跨琳，在裂尖的邊緣將發(fā)出兩族膨脹波自点，這兩族膨脹波在中心流線相交，氣體經(jīng)過(guò)膨脹波使靜壓由p₁降到p_a脉让，經(jīng)膨脹波后氣流桂敛，其自由邊界向外擴(kuò)張。兩族膨脹波相交之后互相穿過(guò)溅潜，并保持為膨脹波术唬。這些膨脹波在自由邊界反射回來(lái)形成兩族壓縮波，并使氣流邊界向內(nèi)收縮墅瑟。這兩族壓縮波相互穿過(guò)并在自由邊界上反射回膨脹波避扎，這種波的相交與反射現(xiàn)象不斷地進(jìn)行下去，逐漸衰減壁歧。

隨著內(nèi)外壓強(qiáng)比的增大催岔，欠膨脹自由射流將會(huì)在噴嘴出口附近產(chǎn)生馬赫盤(pán)谎后，可能形成包括膨脹波段扛、攔截激波、馬赫盤(pán)蒲龟、反射激波孵淘、滑移線和射流邊界等復(fù)雜波系的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)虽才，如力1-10所示。

1.4  本文工作思路

綜上所述坠髓，輸氣管道動(dòng)態(tài)裂紋擴(kuò)展與止裂的研究還處理不完善的階段。現(xiàn)有的可靠性判斷方法基本都是從有限的全尺寸實(shí)驗(yàn)歸納出經(jīng)驗(yàn)性的判據(jù)公式。再通過(guò)代入小試件實(shí)驗(yàn)測(cè)得的斷裂韌性做出的簡(jiǎn)單判斷都敛。這種方法只能給出一個(gè)簡(jiǎn)單的臨界韌性參數(shù)衰屡，無(wú)法模擬裂紋擴(kuò)展的全過(guò)程。另外周蹭，即使最成熟的Battelle雙曲線法趋艘，其在高韌性條件下的準(zhǔn)確程度也受到了廣泛質(zhì)疑。

全尺寸爆破實(shí)驗(yàn)的思路是在管道中部設(shè)置韌性很低的起裂管和預(yù)制裂紋凶朗，向兩端焊接韌性依次升高的管段瓷胧，并以裂紋停止的管段的韌性作為臨界斷裂韌性（后文有詳述）。近年來(lái)對(duì)高韌性管道的全尺寸實(shí)驗(yàn)表明棚愤，即便在韌性低于止裂段很多的管段搓萧，也出現(xiàn)了明顯的裂紋減速與止裂的現(xiàn)象。由此不難推論宛畦，只要測(cè)試管段足夠長(zhǎng)瘸洛，完全可以令裂紋在低韌性段止裂。也就是說(shuō)除了臨界止裂韌性以外次和，還需要?jiǎng)e的參數(shù)來(lái)描述管道的止裂能力货矮，比如一定工況一定韌性下的裂紋擴(kuò)展長(zhǎng)度。

PFRAC程序最初于1989年由SwRI開(kāi)發(fā)斯够，主要用途就是管道裂紋擴(kuò)展囚玫。本文工作以前的程序只考慮了穩(wěn)態(tài)擴(kuò)展的內(nèi)容，即指定裂紋的擴(kuò)展速度榕华，計(jì)算得出裂紋驅(qū)動(dòng)力G與管道韌性G_d相比較方较。這一做法在解決工程問(wèn)題時(shí)遇到很多困難。首先是裂紋的擴(kuò)展速度很難選擇粮忍，對(duì)于高韌性管段無(wú)不存在明顯的減速現(xiàn)象衷求，難以找到一個(gè)穩(wěn)態(tài)的擴(kuò)展階段；其次是對(duì)于高壓鋼制管道肄蓄，計(jì)算得到的裂紋驅(qū)動(dòng)力G無(wú)一例外地遠(yuǎn)高于估計(jì)的G_d值搞督，因而并不能得到量化的有價(jià)值的結(jié)論；第三是隨著管道壓力的升高偷瀑，超聲速射流和激波有了出現(xiàn)的可能胚搂，原有的氣體壓力模式是否依然適用，衰減長(zhǎng)度L的取值范圍等均成為有待驗(yàn)證的問(wèn)題叶皿。

本文試圖從數(shù)值解法入手脐炼，在PFRAC程序的基礎(chǔ)上，除韌性判據(jù)以外拢掷，加入止裂位置的判據(jù)丁恭，即全程動(dòng)態(tài)模擬管道裂紋的擴(kuò)展與止裂全過(guò)程，并通過(guò)國(guó)外現(xiàn)有的全尺寸實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比和標(biāo)定。這意味著待求解的問(wèn)題從穩(wěn)態(tài)擴(kuò)展轉(zhuǎn)化為瞬態(tài)擴(kuò)展牲览，同時(shí)需要在程序中加入從前沒(méi)有的韌性參數(shù)以控制止裂的速度墓陈，并發(fā)展與之相關(guān)的理論與實(shí)驗(yàn)方法，最終用于數(shù)值計(jì)算第献。

鑒于CVN和DWTT實(shí)驗(yàn)測(cè)得的斷裂韌性己經(jīng)不能夠很好滿(mǎn)足的高韌性管線鋼止裂韌性預(yù)測(cè)的需要跛蛋，本文從近年來(lái)流行的CTOA判據(jù)入手，在減速模型中加入CTOA的計(jì)算痊硕，并和現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)方法測(cè)得的（CTOA)C進(jìn)行比較赊级，在分析、綜合的基礎(chǔ)上岔绸，創(chuàng)建出一套基于CTOA的止裂判定方法理逊，與前者相互驗(yàn)證。

相關(guān)自由射流場(chǎng)的計(jì)算盒揉，本文考慮了空氣和甲烷的兩相成分晋被，利用PFRAC計(jì)算出的某時(shí)刻管壁的變形狀態(tài)與節(jié)點(diǎn)速度，進(jìn)行實(shí)時(shí)的非定常求解刚盈，收斂達(dá)到的定常狀態(tài)即裂紋穩(wěn)態(tài)護(hù)展時(shí)隨本坐標(biāo)下的氣流場(chǎng)分布彪趣。沿管道某一軸線，壓力與軸向坐標(biāo)的關(guān)系可看作裂紋途經(jīng)的某點(diǎn)從裂紋前端到后端的減速歷史蓄梯。

此外拌微，本課題還進(jìn)行了輸氣管道上止裂環(huán)的設(shè)計(jì)與研究，由于止裂環(huán)未被西氣東輸管線工程所采用游推，故不作為本文敘述的重點(diǎn)殊储。

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